(57)【要約】高圧極低温燃料をポンピングするシステムは、上側動力端部３０と下側流体端部３２を各々含む複数の線形ポンプ２２を含み、動力端部はドライブシャフト１２０で終端する線形始動ドライブシステムを有し、ドライブシステムは電子コントローラにより独立に制御可能で、流体端部はシリンダ内で線形往復運動可能にドライブシャフトに結合されたピストン９４を有し、ピストンは複数のピストンリング９８を有するヘッド９２を有する。入口タンク５２から各シリンダの下側端部に通じ、ピストンのヘッドの直下のヘッド空間との弁付きの連絡に通じる入口通路８０を含み、ピストンの上向き運動により高圧燃料をヘッド空間に入れる十分な負圧勾配がヘッド空間に生じ、ピストンの下向きの運動により高圧燃料が下側流路から排出され、全シリンダに共通の出口ポートに入る。高圧極低温燃料のあらゆる漏出を含むように線形ポンプ周りに密閉ハウジング２４、２６を含む。【選択図】図２
2019526742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑な無パルス出力を提供するために燃料供給源から高圧極低温燃料をポンピングするためのシステムであって、前記システムは、
各々が一連の上側動力端部および下側流体端部を含む複数の線形ポンプを含み、前記動力端部は軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有し、
各ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを介して独立に制御可能であり、各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１サイクルという出力速度に対する低い下降比率にて動作可能であり、
摩耗を低減させて動作寿命を延ばすために前記下側流体端部におけるパッキング封止材は設けられず、
前記流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように前記動力端部の前記ドライブシャフトに結合されたピストンを有し、前記ピストンは、前記流体シリンダの内腔との密閉された摺動接触を提供する複数のピストンリングが上に分散されたヘッドを有し、
前記システムはさらに、
前記燃料供給源から高圧極低温燃料を受取って貯蔵するための入口タンクと、
前記入口タンクから各流体シリンダの下側端部に通じ、かつ前記ピストンの前記ヘッドの直下のヘッド空間との弁付きの連絡に通じる入口通路とを含み、前記ピストンの上向きの運動によって、高圧燃料を前記ヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配が前記ヘッド空間に生じ、前記ピストンの下向きの運動によって高圧燃料が下側流路から排出されて、すべての前記流体シリンダに共通の出口ポートに入り、
前記システムはさらに、
前記線形ポンプの１つまたはそれ以上の周りに配された密閉ハウジングを含み、前記ハウジングは前記流体シリンダ内から漏れたあらゆる前記高圧極低温燃料を含むように密閉され、
前記システムの動作は、無パルスの出力圧力プロファイルをもたらすための個々の前記ポンプの協調的始動を含む、システム。
【請求項２】
各動力端部ドライブシステムは、前記軸に沿って整列された回転するボールネジの形のアクチュエータを有する電気機械アクチュエータを含み、かつ前記システムは前記アクチュエータの回転運動をモニタするためのセンサと、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各動力端部ドライブシステムは前記ドライブシャフトの上に液圧シリンダを含み、前記ドライブシャフトの上下移動は電子サーボ弁を介して制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記流体シリンダ内の前記ピストンの前記位置をモニタする前記液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）と、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
複数の前記線形ポンプの周りに密閉された単一の外側ハウジングが存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
共通の下側マニホルドプレートをさらに含み、前記線形ポンプの各々は前記下側マニホルドプレートに装着され、かつ前記下側マニホルドプレートの中に各線形ポンプの前記下側流路が形成される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記外側ハウジングは、一般的に前記上側動力端部を囲む上側ハウジングを含み、前記上側ハウジングは一般的に前記下側流体端部を囲む下側ハウジングに固定され、前記上側ハウジングにはコンジットが取り付けられていないことによって、前記動力端部ドライブシステムを整備するために前記上側ハウジングが容易に取り外され得る、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の前記線形ポンプの各１つの周りに密閉された別個の外側ハウジングが存在し、さらに共通の下側マニホルドプレートを含み、前記線形ポンプの各々は前記下側マニホルドプレートに装着され、かつ前記下側マニホルドプレートの中に各線形ポンプの前記下側流路が形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記入口タンクは前記複数の線形ポンプの真下に位置し、前記入口タンクの上にマニホルドプレートが配され、前記マニホルドプレートに前記複数の線形ポンプが取り付けられ、かつ前記マニホルドプレートの中に各線形ポンプの前記下側流路が形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
各流体シリンダの前記入口通路の間の弁サブシステムは前記流体シリンダの下側端部のサンプチャンバにおいて開き、前記サンプチャンバは前記流体シリンダと、互いの頂部に積み重ねられた２つの前記弁部材の下側端部との間に位置し、弁部材の内部には、前記サンプチャンバから前記ピストンの前記ヘッドの直下のヘッド空間に通じる軸方向に整列されたチャネルがあり、前記ヘッド空間に負圧勾配がないときに前記チャネルの上側端部を閉じるために、リフター弁が付勢されて上側弁部材と接触し、前記弁部材はさらに、前記ヘッド空間から前記共通出口ポートに通じる前記流体シリンダの外側の前記下側流路への流動ポートを定め、前記ピストンの上向きの運動は、前記リフター弁を上げて高圧燃料を前記ヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配を前記ヘッド空間に生じ、前記ピストンの下向きの運動は前記リフター弁を閉じて高圧燃料を前記流動ポートから下側流路および前記共通出口ポートへと排出する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
平滑な無パルス出力を提供するために燃料供給源から高圧極低温燃料をポンピングするための方法であって、前記方法は、
各々が一連の上側動力端部および下側流体端部を含む複数の線形ポンプを有するポンプシステムを提供するステップを含み、前記動力端部は軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有し、各ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを介して独立に制御可能であり、前記下側流体端部はパッキング封止材を有さないことによって摩耗を低減し、かつ動作寿命を延ばし、
各線形ポンプの前記流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように前記動力端部の前記ドライブシャフトに結合されたピストンを有し、前記複数の線形ポンプの前記流体シリンダはすべて一緒に装着され、かつ共通の出口ポートに通じる出口流路を有し、
前記方法はさらに、
燃料供給源から前記複数の線形ポンプの各々の前記流体シリンダの入口通路に極低温燃料を供給するステップと、
前記ドライブシステムを始動して、前記複数の線形ポンプの各々の前記ドライブシャフトおよび結合されたピストンを移動させることによって、極低温燃料をそれぞれの流体シリンダに引き込み、かつ前記極低温燃料を前記出口流路を通じて前記共通の出口ポートに排出し、個々の前記線形ポンプの始動を協調させることで無パルスの出力圧力プロファイルをもたらすステップと、
１つまたはそれ以上の前記線形ポンプの周りに密閉ハウジングを提供するステップとを含み、前記ハウジングは前記流体シリンダ内から漏れたあらゆる前記高圧極低温燃料を含むように密閉される、方法。
【請求項１２】
各動力端部ドライブシステムは、前記軸に沿って整列された回転するボールネジの形のアクチュエータを有する電気機械アクチュエータを含み、かつ前記システムは前記アクチュエータの回転運動をモニタするためのセンサと、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含み、平滑な無パルスの出力をもたらすために前記複数の線形ポンプの始動を協調させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各動力端部ドライブシステムは前記ドライブシャフトの上に液圧シリンダを含み、前記ドライブシャフトの上下移動は電子サーボ弁を介して制御される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体シリンダ内の前記ピストンの前記位置をモニタする前記液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）と、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとをさらに含み、前記方法は、平滑な無パルスの出力をもたらすために前記複数の線形ポンプの始動を協調させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
密閉ハウジングを提供するステップは、単一のハウジングによって前記複数の前記線形ポンプを封入するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記外側ハウジングは、一般的に前記上側動力端部を囲む上側ハウジングを含み、前記上側ハウジングは一般的に前記下側流体端部を囲む下側ハウジングに固定され、前記動力端部ドライブシステムを整備するために前記上側ハウジングが容易に取り外され得るように、前記上側ハウジングにはコンジットが取り付けられていない、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
密閉ハウジングを提供するステップは、別個のハウジングによって前記複数の前記線形ポンプの各１つを封入するステップを含み、さらに共通の下側マニホルドプレートを含み、前記線形ポンプの各々は前記下側マニホルドプレートに装着され、かつ前記下側マニホルドプレートの中に各線形ポンプの前記下側流路が形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記入口タンクは前記複数の線形ポンプの真下に位置し、前記入口タンクの上に配されたマニホルドプレートを含み、前記マニホルドプレートに前記複数の線形ポンプが取り付けられ、かつ前記マニホルドプレートの中に各線形ポンプの前記下側流路が形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記極低温燃料は−１５０℃未満の温度で貯蔵された液化天然ガスであり、前記密閉ハウジングは貯蔵された前記液化天然ガスとほぼ同じ内部圧力を維持する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１サイクルという出力速度に対する低い下降比率にて動作可能である、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は特に海洋サービスのための高圧ガスポンプに関し、より具体的には、たとえば海洋、産業用ガス、および代替エネルギ燃料システムなどの高圧燃料システムを有する用途に用いるためのモジュラーの線形的に始動される高圧ポンプ、たとえば海上で使用するための液化天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｉｄ  ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ）ポンプなどに関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の油層が枯渇してきたために世界的なエネルギ要求は年々増し続けており、代替物の探索は海洋のより深い部分に広がり、大量の投資コストを必要としている。エネルギ政策全般の変化によって、原子力および石炭電力は支持を失う一方で、実現可能な代替物として米国および中東からのガスが出現している。加えて政情不安から、各国はパイプライン供給に頼らなくなる方向にエネルギ政策を発展させている。このシナリオにおいては、ディーゼルまたは燃料油よりもＬＮＧを用いた大型貨物船の推進が明白な解決策である。現代のＬＮＧタンカーはエンジン可用性が重要であるため、信頼性の高い推進システムを必要とする。
【０００３】
典型的なＬＮＧ海洋推進システムは、ＬＮＧタンクと、燃料供給システムと、圧力下でＬＮＧを受け取る推進エンジンとを含む。ＬＮＧは高圧および極低温（−１５０℃、−２３８°Ｆ、または１２３Ｋ未満）、典型的には約−２６０°Ｆおよび２５０ｐｓｉにて貯蔵および配達される。高圧極低温ＬＮＧに対して現在利用可能な燃料供給システムは、さまざまな機械的供給源からの漏出または故障を起こしやすい。こうした漏出はサービス寿命を低下させ、ＬＮＧポンプ機器の維持負担を増加させる。同様に、液体窒素（ＬＮ２：ｌｉｑｕｉｄ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ）、液体アルゴン（ＬＡＲ：ｌｉｑｕｉｄ  ａｒｇｏｎ）、および液体水素（ＬＨ２：ｌｉｑｕｉｄ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ）に対して用いられる他の産業用ガスサービスポンプも漏出およびそれに伴う維持の問題を起こしやすい。
【０００４】
加えて、水素は将来の輸送燃料と考えられている。原油からの輸送燃料の生産における水素の使用が急速に増えており、油供給源がタールサンドであるときには不可欠である。水素をＣＯ２と組み合わせて、重要な輸送燃料となり得るメタノールまたはジメチルエーテルを作製できる。電解によって水素を作製するために核エネルギを使用でき、将来的には水素を熱化学的に作製するために高温リアクタが用いられるだろう。水素生産に対するエネルギ要求は、今日の電気生産に対するエネルギ要求を上回り得る。
【０００５】
結果として、より長いサービス寿命を有し、かつ維持がより簡単な、ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲおよびその他の使用のための高圧ポンプがなおも必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲおよびその他の使用のための高圧ポンプを提供しようとしており、この高圧ポンプは現行システムを簡略化してサイズを低減したものであり、かつ２００〜５００％の寿命増加と、顕著に低減した動作コストと、より容易な保守性とを有する。
【０００７】
一実施形態において、平滑な無パルス出力を提供するための燃料供給源から高圧極低温燃料をポンピングするためのシステムは、複数の線形ポンプを含み、各々の線形ポンプは一連の上側動力端部および下側流体端部を含み、この動力端部は軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有する。各ポンプの動力端部ドライブシステムは、多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを介して独立に制御可能であり、各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１サイクルという出力速度に対する低い下降比率にて動作可能である。下側流体端部にパッキング封止材がないことによって、摩耗が低減してシステムの動作寿命が延びる。流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように動力端部のドライブシャフトに結合されたピストンを有し、このピストンはヘッドを有し、このヘッドの上には流体シリンダの内腔との密閉された摺動接触を提供する複数のピストンリングが分散される。入口タンクは燃料供給源からの高圧極低温燃料を受取って貯蔵し、入口タンクから各流体シリンダの下側端部に入口通路が通じている。入口通路は、ピストンのヘッドの直下のヘッド空間との弁付きの連絡につながっており、ピストンの上向きの運動によって、高圧燃料をヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配がヘッド空間に生じ、ピストンの下向きの運動によって高圧燃料が下側流路から排出されて、すべての流体シリンダに共通の出口ポートに入る。１つまたはそれ以上の線形ポンプの周りに密閉ハウジングが配され、流体シリンダ内から漏れたあらゆる高圧極低温燃料を含むように密閉される。有利には、システムの動作は、無パルスの出力圧力プロファイルをもたらすための個々のポンプの協調的始動を含む。
【０００８】
平滑な無パルス出力を提供するための燃料供給源から高圧極低温燃料をポンピングするための例示的方法は、複数の線形ポンプを有するポンプシステムを提供するステップを含み、各々の線形ポンプは一連の上側動力端部および下側流体端部を含む。この動力端部は軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有し、かつ各ポンプの動力端部ドライブシステムは、多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを介して独立に制御可能である。有益には、摩耗を低減させて動作寿命を延ばすように、下側流体端部はパッキング封止材を有さない。各線形ポンプの流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように動力端部のドライブシャフトに結合されたピストンを有し、複数の線形ポンプの流体シリンダはすべて一緒に装着され、かつ共通の出口ポートに通じる出口流路を有する。この方法は、燃料供給源からの極低温燃料を、複数の線形ポンプの各々の流体シリンダの入口通路に供給するステップを含む。ドライブシステムが始動されて、複数の線形ポンプの各々のドライブシャフトおよび結合されたピストンが移動することによって、極低温燃料をそれぞれの流体シリンダに引き込み、かつ極低温燃料を出口流路を通じて共通の出口ポートに排出する。個々の線形ポンプの協調的始動によって、無パルス出力圧力プロファイルがもたらされる。最後に、１つまたはそれ以上の線形ポンプの周りに密閉ハウジングが提供され、このハウジングは流体シリンダ内から漏れたあらゆる高圧極低温燃料を含むように密閉される。
【０００９】
一実施形態において、極低温燃料は−１５０℃未満の温度で貯蔵された液化天然ガスであり、密閉ハウジングは貯蔵された液化天然ガスとほぼ同じ内部圧力を維持する。好ましくは、各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１サイクルという出力速度に対する低い下降比率にて動作可能である。
【００１０】
一実施形態において、各動力端部ドライブシステムは、軸に沿って整列された回転するボールネジの形のアクチュエータを有する電気機械アクチュエータを含み、かつこのシステムはアクチュエータの回転運動をモニタするためのセンサと、ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含む。代替的に、各動力端部ドライブシステムはドライブシャフトの上に液圧シリンダを含み、このドライブシャフトの上下移動は電子サーボ弁を介して制御される。液圧ドライブシステムはさらに、流体シリンダ内のピストンの位置をモニタする液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ：ｌｉｎｅａｒ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と、ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含んでもよい。
【００１１】
複数の線形ポンプの周りに密閉された単一の外側ハウジングが存在してもよい。その場合、好ましくは共通の下側マニホルドプレートが提供され、線形ポンプの各々はその下側マニホルドプレートに装着され、かつその中に各線形ポンプの下側流路が形成される。単一の外側ハウジングは、一般的に上側動力端部を囲む上側ハウジングを含んでもよく、この上側ハウジングは一般的に下側流体端部を囲む下側ハウジングに固定され、動力端部ドライブシステムを整備するために上側ハウジングが容易に取り外され得るように、上側ハウジングにはコンジットが取り付けられていない。代替的には、複数の線形ポンプの各１つの周りに密閉された別個の外側ハウジングが存在し、さらに共通の下側マニホルドプレートを含み、線形ポンプの各々はその下側マニホルドプレートに装着され、かつその中に各線形ポンプの下側流路が形成される。
【００１２】
望ましくは、入口タンクは複数の線形ポンプの真下に位置し、入口タンクの上にマニホルドプレートが配され、そのマニホルドプレートに複数の線形ポンプが取り付けられ、かつその中に各線形ポンプの下側流路が形成される。
【００１３】
特定の実施形態において、各流体シリンダの入口通路の間の弁サブシステムは流体シリンダの下側端部のサンプチャンバにおいて開き、このサンプチャンバは流体シリンダと、互いの頂部に積み重ねられた２つの弁部材の下側端部との間に位置する。弁部材の内部には、サンプチャンバからピストンのヘッドの直下のヘッド空間に通じる軸方向に整列されたチャネルがあり、ヘッド空間に負圧勾配がないときにチャネルの上側端部を閉じるために、リフター弁が付勢されて上側弁部材と接触する。弁部材はさらに、ヘッド空間から共通出口ポートに通じる流体シリンダの外側の下側流路への流動ポートを定める。結果として、ピストンの上向きの運動は、リフター弁を上げて高圧燃料をヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配をヘッド空間に生じ、ピストンの下向きの運動はリフター弁を閉じて高圧燃料を流動ポートから下側流路および共通出口ポートへと排出する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本出願の例示的高圧ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲポンプシステムの外部の斜視図である。
【図２】図１のポンプシステムの断面図であって、３つの内部線形ポンプのうちの２つを示しており、その一方は部分的に切断されている。
【図３】図３Ａは線形ポンプの１つの斜視図であり、図３Ｂおよび図３Ｃは内部ポンプの一部の部分断面図である。
【図４】図４は線形ポンプの１つの下側端部の拡大図であり、図４Ａおよび図４Ｂはその一部の分解図である。
【図５】図４に示される内部ポンプの下側端部の分解斜視図である。
【図６】液圧始動システムを用いた本出願の代替的ポンプシステムの鉛直断面図である。
【図７】個別に密閉された線形ポンプを有する本出願の代替的高圧ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲポンプシステムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この記載全体にわたって、図面に現れる構成要素には３桁の参照指示子が割り当てられており、ここで最上位の数字はその構成要素が導入された図面番号であり、２つの下位の数字はその構成要素に特定のものである。図面に関連して記載されていない構成要素は、同じ参照指示子を有する前述された構成要素と同じ特徴および機能を有するものと推定されてもよい。
【００１６】
本出願は、特に高圧燃料システムを有する海洋用途に用いるための改善されたモジュラー線形始動高圧ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲポンプシステムを開示する。「線形始動」という用語は、回転運動を直線運動に転換するためのしばしば激しい振動を生じる従来のモードに頼らないシステムを示し、よって線形始動機構は結果として得られる動力プロファイルを平滑にする。もちろん、本開示のポンプシステムは、同様の利益を有する海洋以外の列車、トラック、およびバスを含む輸送用途に用いられてもよい。高圧ＬＮＧポンプが有用であるその他の非輸送領域は、産業用ガスおよび代替燃料の適用を含む。加えて、燃料のための液化天然ガスは本システムを用いてポンピングされ得る主要物品であるが、液体窒素、水素、アルゴン、およびその他の極低温液体炭化水素も、本明細書に記載されるポンプを用いて処理されてもよい。本明細書に開示されるポンプシステムは、低減したサイズおよび増加した寿命、低減した動作コストを有し、かつ維持がより簡単である。
【００１７】
高圧ポンプシステムの例示的属性を詳細に考察する前に、既存の機械的ポンプの欠点を理解する必要がある。以下の考察は、先行技術に含まれるものの承認ではなく、既存のシステムにおける出願人側の証拠の認識であることが意図される。
【００１８】
パート１：従来の往復運動するポンプ
現行の往復運動ポンプの技術は、２つの主要な構成要素からなる。すなわち「動力端部」（しばしば「ドライブ端部」または「ウォーム端部」と呼ばれる）と、作業する「流体端部」（しばしば「コールド端部」と呼ばれる）とである。これらのポンプは単一のシリンダ配置として構成されてもよいし、共通のクランクシャフトの周りの複数のシリンダ配置として構成されてもよい。以下の段落では「単一作用」タイプの往復運動ポンプを考察しており、これは動力端部がクランクシャフトに向かうピストン運動を許容／誘導し、流体端部が吸引圧力にて流体を引き込み、その直後にピストン運動が逆転されてクランクシャフトから遠ざけられ、相対的により高い吐出圧力にて流体端部から流体が放出されることを意味する。
【００１９】
往復運動ポンプは典型的に「ロッド荷重」として公知の特徴によって性能が制限され、これは流体端部のピストンの領域に作用するポンプの吐出圧力の結果としてポンプのドライブに加えられる荷重である。ロッド荷重の限界に達する前は、より小さいピストンがより高い圧力を許容するが、これはポンプの流動容量を低減させる。反対にピストンのサイズを増加させると、ポンプの流動容量は増加するだろうが、これはポンプの最大吐出圧力を低下させる。これらのポンプのロッド荷重容量を増加させることは、実際にはポンプの動力端部のサイズを比例的に増加させることによって達成される。
【００２０】
動力端部：
従来の動力端部設計は回転運動およびエネルギを受取り、次いでそれを動力端部の内部構成要素を介して直線運動およびエネルギに転換する。これらの内部構成要素は一般的に、２つの配置のうちの一方である。
【００２１】
第１の配置はカム／従動子タイプであり、ここでは動力端部のクランクシャフトに偏心器が装着または統合されており、作業ピストンがその偏心器に乗って動かされている。この設計は比較的単純かつ安価であるという利点を有するが、いくつかの制限を有する。第１の主要な制限は、作業ピストンが「ショートストローキング」を防ぐために偏心器に乗り続けるために常時荷重される必要があることである。これは典型的に、ピストンに十分な吸引圧力を与えて、そのピストンを偏心器の表面に堅固に押し付け続けることによって達成される。
【００２２】
第２の配置は、接続ロッド／クロスヘッドピストン配置である。この配置においては、偏心器の外径と接続ロッド端部の内径との間の界面としてのベアリング（典型的に、非摩擦回転素子タイプまたは流体力学的油ベアリングタイプ）を用いて、接続ロッドの一方の端部が偏心器の周りに同心円状に装着される。流体力学的ベアリングタイプは「非接触型」ベアリングであるという利点を有し、したがって開始、停止、および特定の不調条件の際にのみ摩耗する。加えて流体力学的ベアリングは、しばしば往復運動ポンプのキャビテーション不調条件に関連する衝撃荷重を吸収するためのある種のクッションとしてそれらを含む油膜を使用できるという利点を有する。最後に、流体力学的ベアリング設計はかなりコンパクトであり、動力端部全体のサイズを回転素子ベアリング設計よりも顕著に小さくすることを可能にし、かつ製造および組み立てをかなり容易にする。回転素子ベアリングは、機能するために流体力学的油膜を構築すること（したがってベアリングの接線速度）に依拠しないため、非常に低い下降比率を可能にするという利点を有する。加えて、回転素子ベアリングをグリースで潤滑して、油システムまたは冷却システムの必要をなくすことも可能である。
【００２３】
特定のベアリング配置またはその他の特定的な内部詳細にかかわらず、カム／従動子および接続ロッド／クロスヘッドピストン配置の両方が共有するいくつかの不利益が存在する。第１の不利益は、直線運動を生じるために必要なすべての構成要素を含むドライブ全体のサイズおよび複雑さである。それらの構成要素は典型的に製造にかなり費用がかかり、サイズおよび重量が比較的大きい。摩耗する構成要素（主に封止材およびベアリング）は定期的な間隔で交換する必要があり、交換が厄介であり、かつ典型的にはそれらが故障したときにあるレベルの副次的な混乱または損傷をもたらす。第２の不利益は、このタイプのすべてのポンプが、ポンプの上流および下流の両方で脈動する流れを生成および誘導することである。これは従来の往復運動ポンプに固有のものである。なぜなら、従来の往復運動ポンプは回転運動を直線運動に変換するからであり、これは正弦波の入口流および出口流が形成されることを意味する。これらの脈動はしばしば「加速ヘッド損失」と呼ばれるポンプの入口側への悪影響を生じ、これは言い換えるとポンプ吸引の上流の流体のカラム全体を常時加速および減速しなければならないことによって被る損失である。下流の脈動は典型的に吐出配管に調和振動を引き起こし、これはシステム構成要素および／または配管自体の誤動作および／または故障を引き起こし得る。これを抑制するために、しばしば「サージチャンバ」と呼ばれる通常は高圧アキュムレータの形の減衰デバイスをシステムに加える必要がある。これらのデバイスは高度に設計されたコード化された容器である傾向があり、高価ではなく生産が困難であることが多い。
【００２４】
流体端部：
典型的な往復運動流体端部はさまざまな異なる配置を有するだろうが、一般的には常に入口ポートと、出口ポートと、入口逆止め弁と、出口逆止め弁と、ピストンと、パッキング封止材とを有することになる。パッキング封止材はしばしば可塑性材料であり、一般的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）と、たとえばガラス繊維または炭素などの構造変更剤との混合物である。
【００２５】
流体端部は典型的に、適切な機能のためにプロセス流体を自身から出入りさせて運ぶ一連のマニホルドによって供給される。これらのマニホルドは単純なチューブの走行から、弁および器具類を統合した複雑に製作された配管マニホルド、高圧吐出流体を集めるための高圧ブロック形式マニホルドにまでおよぶ。これらのマニホルドは幾分複雑で高価である傾向があり、かつ複数の管系および配管接続に対するホストであり、もしこれらの接続が適切に維持されなければしばしば漏出がもたらされ、これらの漏出の影響は次の段落で説明する。
【００２６】
流体端部における故障の１つのモードは通常、パッキングの摩耗によって「動力端部」と「流体端部」との間の中間空間にプロセス流体（しばしば有害物質）を漏出させることである。寒剤の場合、非爆発性物質の大量漏出は窒息の危険をもたらすため、この漏出はほぼすべての場合に有害とみなされる。爆発性物質（たとえば水素および軽い炭化水素など）もこの危険をもたらすが、それに加えて望まれない燃焼の危険をもたらす。どちらの場合にも、封じ込めおよびパッキングの故障に対する表示システムの両方として用いられる、高価かつときには複雑なパージおよび漏出検出システムの存在によって、これらの危険が対処される。通常の条件下で、パッキング封止材の摩耗を誘導する因子は圧力差動、ピストン速度、動作サイクル数、摩擦、ピストンのパッキングに対する調整不良、および動力端部からの残留半径方向運動である。
【００２７】
故障の典型的な二次的モードは、ピストンリングの故障である。通常の健全な動作条件下では、ピストンリングはパッキングよりも有意に長くもつ（しかし悪条件下では、ピストンリングはパッキングよりも先に故障することがある）。故障したピストンリングは環境に脅威をもたらさない。しかしこのタイプの故障は、摩耗の程度に依存して軽度から重度の流動および吐出圧力性能の損失をもたらすことになる。通常の条件下で、ピストンリングの摩耗を誘導する因子は圧力差動、ピストン速度、動作サイクル数、摩擦、ピストンのピストンリングに対する角度調整不良、および動力端部からの残留半径方向運動である。
【００２８】
本出願は、従来の往復運動ポンプにおける上述の欠点を解決するポンプシステムを開示する。本ポンプシステムは、動力プロファイルを平滑にする線形始動から利益を得る。上述のとおり、「線形始動」という用語は、回転運動から直線運動への転換およびそれに伴う振動エネルギを回避するシステムを示す。漏出による故障を防ぐ動的封止材は存在しない。平滑な無パルス出力および動的封止材の欠如による主要な利益は、ポンプのより長い寿命に変換される。
【００２９】
図１は本出願の例示的高圧ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲポンプシステム２０の外部の斜視図であり、図２はポンプシステムの断面図であって、３つの内部線形ポンプ２２のうちの２つを示しており、その一方は部分的に切断されている。各システム内の線形ポンプ２２の数はモジュラー設計に基づいて大きく変動し得るが、典型的には２〜１２となることが理解されるべきである。このシステム２０は、好ましくは下側ハウジング２６にボルト留めされた上側ハウジング２４に分離される外側密閉ハウジングを特徴とする。内部線形ポンプ２２の各々は、この場合には電気機械アクチュエータである上側ドライブユニット３０と、流入および流出弁を含む下側流体分配カラム３２とを含む。
【００３０】
上側ハウジング２４は、下側ハウジング２６の頂部の拡大フランジ４２にボルト留めされた拡大周囲フランジ４０を有する。上側ドライブユニット３０は、任意のコンジットが取り付けられていない上側ハウジング２４内に位置するため、ベル形状の上側ハウジングは、線形ポンプの任意のドライブ構成要素を整備するために取り外されてもよい。たとえば、上側ハウジング２４の上蓋４３を取り外して、中のドライブユニット３０にアクセスしてもよい。
【００３１】
電気機械または液圧駆動ポンプの各々の下側流体分配カラム３２は、フランジ４０、４２を過ぎて下側チャンバ４４に入るハウジングによって定められる内腔の中を下に延在する。下側ハウジング２６の下側端部は、ボルトによって下側マニホルドプレート４６に取り付けられた環状フランジ４８を有し、下側マニホルドプレート４６は第２の環状フランジ５０の上に挟まれている。第１のフランジ４８は下側ハウジング２６の外部に固定されているのに対し、第２のフランジ５０は下側燃料貯蔵タンク５２に固定される。燃料貯蔵タンク５２はポンプシステム２０の真下に示されているが、これはシステムと離れて上または下に位置してもよい。好ましくは、示される燃料貯蔵タンク５２は、離れた主タンク（図示せず）から加圧燃料の供給を受ける単なる保持タンクである。取り付けられたハウジング２４、２６内への上側ドライブユニット３０および下側流体分配カラム３２の封入は、ポンプシステムに対する密閉環境を提供する。よって、システム内の任意の線形ポンプ２２からのあらゆる漏出は、共通ハウジング２４、２６内の空間に含まれることになる。さらに、ハウジング２４、２６内の圧力は入来する燃料の圧力またはその非常に近くに維持されてもよく、それによってピストン／シリンダアセンブリ内からの漏出が大きく低減する。
【００３２】
再び図１を参照すると、ポンプシステム２０から延在するいくつかのコンジットが示される。下側流体コンジット６０は、ポンプシステムの下の貯蔵タンク５２につながる燃料入口を含む。中間流体コンジット６２は、液体レベル制御のために下側ハウジング２６内の下側チャンバ４４につながっている。最後に、上側流体コンジット６４も圧力制御を可能にするために下側チャンバ４４につながっている。一対のより大きい機器コンジット７０、７２が下側チャンバ４４につながっていて、線形ポンプ２２のドライブユニット３０に接続するいくつかの電力および電気機器ケーブル（図示せず）に対するフィードスルーを提供する。コンジット７０、７２は下側ハウジング２６に接続しているため、ドライブユニット３０を整備するために上側ハウジング２４を容易に取り外すことができる。
【００３３】
加えて図１は、流体入口矢印７４および流体出口矢印７６を示す。前述のとおり、離れたタンクから入る流体は下側流体コンジット６０を通過して、貯蔵タンク５２によって定められる内部チャンバに入る。図３Ａは線形ポンプ２２の１つの斜視図であり、図３Ｂおよび図３Ｃは部分断面図である。図４は線形ポンプの１つの下側端部の拡大図であり、図４Ａおよび図４Ｂはその一部の分解図である。最後に、図５は内部ポンプの下側端部の分解斜視図であり、この図面に示される構成要素は組み立てられた図面とともに参照されるべきである。
【００３４】
図３Ｂは、各線形ポンプ２２の流体分配カラム３２の下側内部チャンバに貯蔵タンク５２を接続するマニホルドプレート４６を通って鉛直に延在する一対の流路７８を示す。図３Ｃおよび図４Ｂはどちらも、互いの頂部に積み重ねられた一対の弁部材８４、８６を通って下側サンプチャンバ８２から上向きに通じる複数の鉛直チャネル８０の１つを示す。チャネル８０は好ましくは弁部材８４、８６の共通軸の周りに均等に間隔を置かれており、２〜１６チャネルのいずれかが存在してもよい（図５を参照）。鉛直チャネル８０は、環状リフター弁８８の下の上側弁部材８４の頂部において、その上側端部が開いている。リフター弁８８の上は、ピストン９４のヘッド９２の直下のヘッド空間９０である。
【００３５】
前述のとおり、上側ドライブユニット３０（電気機械または液圧アクチュエータ）は、ピストン９４を周期的な様式で線形的に駆動するように作用する。カラム３２内を摺動するピストン９４の上下移動によって、流体が貯蔵タンク５２から引かれ、最終的には図１の流体出口矢印７６によって示される出口ポートに通じるマニホルドプレート４６内の第２の流路９６（図２および図３Ｃを参照）を通って排出される。複数の下側流路９６が、複数の線形ポンプ２２に共通する単一の出口ポート７６に通じることが理解されるだろう。線形ポンプ２２の協調的な始動によって、共通出口ポートを通じた平滑で一定の出力圧力プロファイルが可能になる。
【００３６】
ピストン９４のヘッド９２は、スリーブ部材１００の内腔との密閉された摺動接触を提供する一連の鉛直に間隔を置かれたピストンリング９８（図４Ｂおよび図５を参照）を有する。スリーブ部材は、流体分配カラム３２の下側ハウジング部分１０１の内部の円筒形の空洞に密接に適合する。ピストン９４の上向きの運動はヘッド空間９０内に負圧勾配を生じ、次いでその負圧勾配が鉛直チャネル８０を通じてサンプチャンバ８２から流体を引く。ヘッド空間９０内の吸引が予め定められた量を超えるときまで、リフター弁８８はリフター弁と下側弁部材８６との間のコイルバネ１０２によって、チャネル８０の上側端部を閉じたまま維持する。下側ハウジング部分１０１の上側端部において、チューブ状封止材１０４は、ピストン９４を通ってスリーブ部材１００内から任意の流体またはガスが漏れることを防ぐ。
【００３７】
ピストン９４がその動程の頂部に達するとき、リフター弁８８は鉛直チャネル８０の上を閉じる。ピストン９４の下向きの移動は、上側および下側弁部材８４、８６の中に整列された中央流動ポート１１０を通ってヘッド空間９０内へ流体を強制的に引く。図３Ｃにみられるとおり、次いで流体は、たとえば一方向弁などを通じてマニホルドプレート４６内の第２の流路９６を通って排出される。
【００３８】
下側流体分配カラム３２の上述のアセンブリは、必要とされる封止材の数を減らすことによって漏出を低減するための統合された吸引、吐出、および液圧（適用可能なとき）マニホルドを特徴とする。より具体的には、入口（すなわちマニホルドプレート４６および流路７８、８０）、吐出（マニホルドプレート４６、中央流動ポート１１０、および流路９６）、ならびにベントマニホルドがポンプに直接統合され、それらを製作してポンプシステムに設置する必要がなくなり、それによって必要とされる取り付け部品の数が大幅に減る。「ベントマニホルド」は、前述のとおり好ましくは入口燃料と同じ圧力で維持される密閉ハウジングの内部を含む。
【００３９】
再び図４および図４Ａを参照すると、ピストン９４は上側ドライブユニット３０から下向きに下がった出力シャフト１２０によって駆動されることに留意すべきである。図５に分解して示されるとおり、出力シャフト１２０は結合アセンブリ１２２を介してピストン９４に接続する。図３は、流体分配カラム３２の上側ハウジング部分１２６内の一対の直径方向に対向する窓１２４の一方を示す。窓１２４は、上側ドライブユニット３０または流体分配カラム３２の構成要素のいずれかを修理／交換する必要があるときに結合アセンブリ１２２を設置／除去するためのアクセスを提供する。すなわち、結合アセンブリ１２２はこれら２つの主要ユニットの容易な分離を可能にする。
【００４０】
図６は、液圧を用いた本出願の代替的ポンプシステム１４０の鉛直断面図である。より具体的には、代替的ポンプシステム１４０の構成要素は上述の電動システムと同じであるが、上側ドライブユニット３０は液圧ピストン／シリンダアセンブリ１４２を含む。すなわち、結合アセンブリ１２２と連結する出力シャフト１４４は、ピストン／シリンダアセンブリ１４２のピストンを形成する上側ヘッド１４６を有する。加圧流体、好ましくは液圧油の上側シリンダチャンバ１４８への周期的な導入および引き出しが出力シャフト１４４を駆動し、次いでこの出力シャフト１４４が主ピストン９４を駆動する。示されていないが、望ましくは液圧シリンダに沿ったどこかに線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）が装着されて、シリンダ内の液圧ピストンの位置を常時直接モニタするように機能する。フィードバックおよび制御ソフトウェアとともに、ＬＶＤＴは液圧ピストンの位置、速度、および加速度の非常に正確な制御を可能にする。
【００４１】
図７は、個別に密閉された線形ポンプを有する本出願の代替的高圧ＬＮＧ／ＬＨ２／ＬＮ２／ＬＡＲポンプシステム２００の斜視図である。このシステム２００は一連の内部線形ポンプ（図示せず）を含み、上に示したとおり、内部線形ポンプの各々は上側ドライブユニットと、流入および流出弁を含む下側流体分配カラムとを有する。しかし、すべての単一ポンプユニットを包含する外側ハウジング２４、２６の代わりに、各ユニットは自身の一般的にチューブ状の外側ハウジング２０２内に密閉される。よって、ポンプの任意の１つにおけるあらゆる漏出は、自身の密閉ハウジング２０２内に含まれることになる。下側円形マニホルドプレート２０６は必要なマニホルドと、ポートと、必要な流体移動を促進するための流動接続とを含む。接続のいくつかは図示されておらず、ハウジング２０２内の個々のポンプの各々は、共通外側ケーシングに収容された上述のポンプと類似の方式で機能することが理解されるべきである。
【００４２】
本開示のポンプは、いくつかの様式で従来の往復運動ポンプ技術から明らかに逸脱するものである。「動力端部」および「流体端部」はなおも存在するが、それらの構成要素のアーキテクチャおよびそれらが互いに相互作用するやり方が変化している。このポンプシステムのすべての構成要素は密閉ケーシング２４、２６の中に組み込まれており、大気に漏出する有害流体を中心とする上述の問題が完全になくされ、かつその漏出をモニタおよび防止するために必要なインフラストラクチャがなくされる。入口、吐出、およびベントマニホルドがポンプに直接統合され、それらを製作してポンプシステムに設置する必要がなくなり、加えて必要とされる取り付け部品の数が大幅に減ることによって漏出の危険がなくなる。
【００４３】
例示的ポンプは、単一または二重作用の流体端部のいずれによっても利用可能な複数シリンダユニット（例、図示される３つのユニット３０）として構成されるときにその最大の機能および効率を示す。シリンダは鉛直配置に配置される。従来の往復運動ポンプとは異なり、本ポンプの各シリンダは独立に制御可能であり、前例のない流動制御、圧力制御、および下降比率を可能にする。本ポンプは従来の往復運動ポンプに置き換わるだけでなく、従来の往復運動ポンプを動作させるために必要なかなりの量の支援インフラストラクチャの必要をなくし、新たなポンプ機械の解決策ではなく、新たなポンプシステムの解決策となっている。
【００４４】
動力端部：
本ポンプの動力端部は、液圧または電気のいずれかによって始動されるユニットとして利用可能である。電気および液圧ドライブユニットは機械的に異なっているが、従来の往復運動ポンプの動力端部と比べると同じ利益を提供する。
【００４５】
従来の動力端部とは異なり、本ポンプの動力端部は（往復運動に変換される回転運動ではなく）純粋な直線運動を提供する。加えて、各シリンダのドライブユニットは、従来の設計のようにクランクシャフトを介して機械的に連結されていないため、独立に制御可能である。各ドライブは電子的に制御され、さまざまな用途および所与の用途における特定の動作に対して特定的に適合された、たとえば位置、速度、および加速度などのパラメータを有し得る。
【００４６】
第１の駆動方法は、流体端部を駆動するために液圧シリンダを用いることである。ピストンの移動の線形速度は、液圧シリンダへの流速および液圧シリンダ内のピストンの直径によって定められる。液圧シリンダの最大「ロッド荷重」は、そのシリンダ内のピストンの面積とそれに作用する液圧との関数である。この配置の利益は、液圧を増加させるか、または液圧ピストンの直径を増加させることのいずれかによってロッド荷重能力を増加できることである。液圧シリンダへの流速は、電子サーボ弁を介して制御される。このサーボ弁は、多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを介して制御される。このコントローラへの入力は、好ましくは液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）を介して提供される。このトランスデューサは、シリンダ内の液圧ピストンの位置を常時直接モニタする。まとめると、これらの構成要素は、液圧シリンダの移動の位置、速度、および加速度成分を非常に正確に維持できる閉ループ制御システムを形成する。
【００４７】
第２の駆動方法は、流体端部を駆動するために電気機械アクチュエータを用いることである。本質的に、このアクチュエータは統合された電気モータによって駆動されるボールネジである。アクチュエータの移動の線形速度は、電気モータの速度に正比例する。アクチュエータの最大ロッド荷重は、基本的に利用可能なモータトルクの関数である。このロッド荷重は、一般的に電気モータのサイズまたはアンプ容量のいずれかを増加させることによって増加できる。モータのトルクおよび速度は、（可変周波数ドライブと類似の）専用のモータドライブコントローラによって制御される。アクチュエータの位置は、そのモータが行う回転の回転位置および回転数を介して制御される。これらのパラメータは、電子回転整流子を介してモニタされる。コントローラは整流子からの出力を用いてモータ回転数をカウントし、次いでボールネジのピッチを用いてアクチュエータの軸方向の位置を算出する。まとめると、これらの構成要素は、電気機械アクチュエータの移動の位置、速度、および加速度成分を非常に正確に維持できる閉ループ制御システムを形成する。
【００４８】
これらの場合の各々において、ドライブシステムは従来の往復運動ポンプ動力端部よりも顕著に単純である。このことは本質的にドライブシステム全体の信頼性を高める。メンテナンスが必要とされるとき、ドライブ構成要素は比較的容易にアクセスされる。搭載された器具類を介して故障を検出できる。各シリンダのドライブは互いに機械的に連結していないため、これらの故障は典型的に破局的なものではないだろう。故障の場合は、シリンダを独立に停止して、出力を低下させるか、またはデューティサイクルを増加させてポンプシステムの動作を続けてもよい。図７に示される実施形態のようにポンプが個別に密閉されているときは、このことが特に容易である。
【００４９】
各シリンダの運動は、どのようなプロファイルが望まれても適合され得る。このことは、従来の往復運動する動力端部が経験し得る正弦波の吐出プロファイルをなくすことができるために有利である。代わりに、吐出プロファイルは一定の脈動のない出力流および圧力を提供するように適合され得る。このことは加速ヘッド損失と、かなりの量のシステム振動と、圧力脈動および振動を補償するために従来用いられる複雑で高価なインフラストラクチャ（例、「サージチャンバ」）の必要性とをなくすために有効である。
【００５０】
これらのドライブシステムの設計は、（従来の動力端部がするように）適切な潤滑を維持するためにドライブの速度に依存することがないものである。このことは、本ポンプが信じられないほど低い流速に「下降」されて、無限に近い下降比率を提供できることを意味し、これは従来の技術では達成不可能なことである。たとえば、本ポンプシステムの最大動作速度は好ましくは１分当り約１２０サイクルであるが、このシステムは１分当り１サイクルという低い速度で動作されてもよい。
【００５１】
流体端部：
典型的な往復運動する流体端部と同様に、本ポンプの流体端部は入口ポートと、出口ポートと、入口逆止め弁と、出口逆止め弁と、ピストンとを有するが、以前の設計とは異なり、この流体端部はパッキングを有さない。
【００５２】
一連の複雑なマニホルドによって供給される代わりに、本ポンプ流体端部は、本ポンプの本体に直接統合された組み合わせの入口および吐出マニホルドによって供給される。この設計にはチューブもパイプも取り付け部品も存在しない。コールド端部は、上述のマニホルドを介してポンプ構造に直接装着される。ベントガスは、本ポンプの密閉構造の環状空間に無害で流される。従来の技術と比べるとき、本ポンプのプロセス接続は顕著に低減され、数十から好ましくは１０未満に、より好ましくはわずか３つまたは４つに低減される。
【００５３】
従来の技術の主要な故障モードは通常、パッキングが摩耗してプロセス流体を大気に漏出させることである。本ポンプ設計において、パッキングはなくされている。流体端部は密閉ポンプケーシングに収容される。このポンプケーシングは、ポンプに供給される流体と同じ圧力に保たれる。このため、漏出流を促進するコールド端部の内部から外部への差動圧力が存在しないので、パッキングは必要ない。パッキングを除くと、新たな主要故障モードは、典型的にパッキングよりも顕著に長い寿命を有する物品であるピストンリングの故障である。流体端部の寿命をさらに増加させるために、本ポンプシステムの最大動作速度は１分当り約１２０サイクルである。
【００５４】
要約すると、このアーキテクチャ全体は、以下を含むがそれらに限定されないいくつかの利益を提供する。
・密閉された設計
・パッキングを含まないコールド端部が主要な摩耗部品をなくす
・最長寿命（オーバーホールの間の平均時間２０，０００＋時間）に対して１分当り最大１２０サイクル
・無限に近い下降比率
・液圧的または電気的に動力供給される
・統合された吸引、吐出、および液圧（適用可能なとき）マニホルド
・冗長に構築される
・無脈動の動作（サージチャンバを必要としない）
・統合された水−グリコール気化器を利用可能
【００５５】
本開示は、典型的にたとえば海洋、産業用ガス、および代替エネルギの燃料システムなどの高圧燃料システムを有する用途のための高圧ポンプを提供する。例示的ポンプは、現行設計よりも単純化してサイズを低減させることを意図し、さらに２００〜５００％の寿命増加、動作コストの有意な低減、およびより容易な保全性に焦点を合わせて設計されることになる。この設計の特徴は、１３０ＧＰＭの流速、最大９００〜１０００バールの吐出圧力、完全に包含および密閉されたパッケージ、ならびに線形の電気機械または液圧始動を用いたドライブ／制御を含むことになる。これらは典型的に１００％冗長性に対する２つのユニットの組として販売されることになるが、この設計はシリンダ故障の場合に低減した容量にて単一ユニットの継続動作を可能にするものである。
【００５６】
最終コメント
この記載全体にわたって示される実施形態および実施例は、開示または請求される装置および手順に対する制限ではなく見本であると考えられるべきである。本明細書において提供される実施例の多くは方法作用またはシステム構成要素の特定の組み合わせを伴うが、それらの作用およびそれらの構成要素は、同じ目的を達成するために他のやり方で組み合わされてもよいことが理解されるべきである。１つの実施形態のみに関連して考察された作用、構成要素、および特徴が、他の実施形態における同様の役割から除外されることは意図されない。
【図１】
2019526742.tif 000003
【図２】
2019526742.tif 000004
【図３Ａ】
2019526742.tif 000005
【図３Ｂ】
2019526742.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図４Ａ】
2019526742.tif 000009
【図４Ｂ】
2019526742.tif 000010
【図５】
2019526742.tif 000011
【図６】
2019526742.tif 000012
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月26日(2019.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑な無パルス出力を提供するために燃料供給源から極低温燃料をポンピングするためのシステムであって、前記システムは、
多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアと、
複数の線形ポンプであって、その各々は、
ｉ．上側動力端部および下側流体端部を含み、前記動力端部は、軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有し、
ｉｉ．各ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、前記多軸電子コントローラに含まれる前記ソフトウェアを介して独立に制御可能であり、
ｉｉｉ．前記流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように前記動力端部の前記ドライブシャフトに結合されたピストンを有し、前記ピストンは、前記流体シリンダの内腔との密閉された摺動接触を提供する複数のピストンリングが上に分散されたヘッドを有し、
ｉｖ．前記ピストンと前記流体シリンダとの間にパッキング封止材は設けられず、
ｖ．極低温燃料源と流体連通して各流体シリンダの下側端部に通じ、かつ前記ピストンの前記ヘッドを開いてその下のヘッド空間との弁付きの連絡に通じる入口通路を含み、前記ピストンの上向きの運動によって、極低温燃料を前記ヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配が前記ヘッド空間に生じ、前記ピストンの下向きの運動によって極低温燃料が下側流路から排出されて、すべての前記流体シリンダに共通の出口ポートに入る、
複数の線形ポンプと、
各ポンプの前記上側動力端部および下側流体端部を含む前記線形ポンプの１つまたはそれ以上の周りに、かつ前記線形ポンプの１つまたはそれ以上を完全に囲んで配された密閉ハウジングであって、前記ハウジングは前記流体シリンダ内から漏れたあらゆる前記極低温燃料を含むように密閉される、密閉ハウジングと、を含み、
前記システムの動作は、無パルスの出力圧力プロファイルをもたらすための個々の前記ポンプの協調的始動を含む、システム。
【請求項２】
各動力端部ドライブシステムは、前記軸に沿って整列された回転するボールネジの形のアクチュエータを有する電気機械アクチュエータを含み、ポンピング用の前記システムは前記アクチュエータの回転運動をモニタするためのセンサと、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各動力端部ドライブシステムは前記ドライブシャフトの上に液圧シリンダを含み、前記ドライブシャフトの上下移動は電子サーボ弁を介して制御される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記流体シリンダ内の前記ピストンの前記位置をモニタする前記液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）と、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとをさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
複数の前記線形ポンプの周りに密閉された密閉ハウジングが存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
各線形ポンプの前記下側流路が接続される共通の下側マニホルドをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記密閉ハウジングは、一般的に前記上側動力端部を囲む上側ハウジングを含み、前記上側ハウジングは一般的に前記下側流体端部を囲む下側ハウジングに固定され、前記上側ハウジングにはコンジットが取り付けられていないことによって、前記動力端部ドライブシステムを整備するために前記上側ハウジングが容易に取り外され得る、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の前記線形ポンプの各１つの周りに密閉された別個の密閉ハウジングが存在し、各線形ポンプの前記下側流路が接続される共通の下側マニホルドをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
極低温燃料を受取って貯蔵するための前記入口タンクは前記複数の線形ポンプの下に位置し、前記システムは、各線形ポンプの前記入口通路が接続される前記入口タンクの上に配されるマニホルドを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
各流体シリンダの前記入口通路の間の弁サブシステムは前記流体シリンダの下側端部のサンプチャンバにおいて開き、前記サンプチャンバは前記流体シリンダと、互いの頂部に積み重ねられた上側通路定義部材および下側通路定義部材の２つの通路定義部材の下側端部との間に位置し、前記通路定義部材の内部には、前記サンプチャンバから前記ピストンの前記ヘッドを開いてその下の前記ヘッド空間に通じる軸方向に整列されたチャネルがあり、前記ヘッド空間に負圧勾配がないときに前記チャネルの上側端部を閉じるために、リフター弁が付勢されて前記上側通路定義部材と接触し、前記通路定義部材はさらに、前記ヘッド空間から前記共通出口ポートに通じる前記流体シリンダの外側の前記下側流路への流動ポートを定め、前記ピストンの上向きの運動は、前記リフター弁を上げて極低温燃料を前記ヘッド空間に入れるために十分な負圧勾配を前記ヘッド空間に生じ、前記ピストンの下向きの運動は前記リフター弁を閉じて極低温燃料を上昇した圧力で前記流動ポートから下側流路および前記共通出口ポートへと排出する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
平滑な無パルス出力を提供するために燃料供給源から極低温燃料をポンピングするための方法であって、前記方法は、
各々が一連の上側動力端部および下側流体端部を含む複数の線形ポンプを有するポンプシステムを提供するステップを含み、前記動力端部は軸に沿って線形的に往復運動するドライブシャフトにおいて終端する線形始動ドライブシステムを有し、前記システムは多軸電子コントローラに含まれるソフトウェアを有し、各ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、前記多軸電子コントローラに含まれる前記ソフトウェアを介して独立に制御可能であり、
各線形ポンプの前記流体端部は、流体シリンダ内で線形的に往復運動するように前記動力端部の前記ドライブシャフトに結合されたピストンを有し、各線形ポンプは、摩耗を低減して動作寿命を延ばすように前記ピストンと前記流体シリンダとの間にパッキング封止材を有しておらず、前記複数の線形ポンプの前記流体シリンダは共通の出口ポートに通じる出口流路を有し、
前記方法はさらに、
燃料供給源から前記複数の線形ポンプの各々の前記流体シリンダの入口通路に極低温燃料を供給するステップと、
前記ドライブシステムを始動して、前記複数の線形ポンプの各々の前記ドライブシャフトおよび結合されたピストンを移動させることによって、極低温燃料をそれぞれの流体シリンダに引き込み、かつ前記極低温燃料を前記出口流路を通じて前記共通の出口ポートに排出し、個々の前記線形ポンプの始動を協調させることで無パルスの出力圧力プロファイルをもたらすステップと、
各ポンプの前記上側動力端部および下側流体端部を含む１つまたはそれ以上の前記線形ポンプの周りに、かつ１つまたはそれ以上の前記線形ポンプを完全に囲む密閉ハウジングを提供するステップと、を含み、前記ハウジングは前記流体シリンダ内から漏れたあらゆる前記極低温燃料を含むように密閉される、方法。
【請求項１２】
各動力端部ドライブシステムは、前記軸に沿って整列された回転するボールネジの形のアクチュエータを有する電気機械アクチュエータを含み、ポンピング用の前記システムは前記アクチュエータの回転運動をモニタするためのセンサと、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとを含み、平滑な無パルスの出力をもたらすために前記複数の線形ポンプの始動を協調させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各動力端部ドライブシステムは前記ドライブシャフトの上に液圧シリンダを含み、前記ドライブシャフトの上下移動は電子サーボ弁を介して制御される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体シリンダ内の前記ピストンの前記位置をモニタする前記液圧シリンダに装着された線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）と、前記ドライブシャフトおよびしたがってピストンの位置、速度、および加速度成分を維持するように構成された閉ループ制御システムとをさらに含み、前記方法は、平滑な無パルスの出力をもたらすために前記複数の線形ポンプの始動を協調させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
密閉ハウジングを提供するステップは、単一のハウジングによって前記複数の前記線形ポンプを封入するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記密閉ハウジングは、一般的に前記上側動力端部を囲む上側ハウジングを含み、前記上側ハウジングは一般的に前記下側流体端部を囲む下側ハウジングに固定され、前記動力端部ドライブシステムを整備するために前記上側ハウジングが容易に取り外され得るように、前記上側ハウジングにはコンジットが取り付けられていない、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
密閉ハウジングを提供するステップは、別個のハウジングによって前記複数の前記線形ポンプの各１つを封入するステップを含み、各線形ポンプの前記下側流路が接続される共通の下側マニホルドをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記入口タンクは前記複数の線形ポンプの下に位置し、前記システムは、各線形ポンプの前記入口通路が接続される前記入口タンクの上に配されるマニホルドを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記極低温燃料は−１５０℃未満の温度で貯蔵された液化天然ガスであり、前記密閉ハウジングは貯蔵された前記液化天然ガスとほぼ同じ内部圧力を維持する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１２０サイクルの最高動作速度で動作可能であり、１分当り約１サイクルまで動作ダウンしてもよい、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
各線形ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、統合された電気モータによって駆動される電気−機械アクチュエータを用いて独立に制御可能であり、前記モータのトルクおよび速度はモータドライブコントローラによって制御され、前記アクチュエータの位置は、電子回転整流子を介して監視される前記モータの回転位置および回転数を介して制御され、前記コントローラは、モータの前記回転数をカウントするために前記整流子からの出力を使用し、次いで、前記電気−機械アクチュエータの動きの位置、速度、および加速度成分を維持することが可能な閉ループ制御システムを形成するために前記アクチュエータの軸方向位置を算出し、その結果、個別のポンプの協調的始動が無パルス出力圧力プロファイルをもたらす、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
各線形ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、統合された電気モータを用いて独立に制御可能であり、前記線形ポンプの各々は、統合された冗長を有するようにそして中断しない無パルス出力圧力プロファイルを提供するように個別にスタートおよびストップされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項２３】
各線形始動ドライブシステムは、１分当り約１２０サイクルの最高動作速度で動作可能であり、１分当り約１サイクルまで動作ダウンしてもよい、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
各線形ポンプの前記動力端部ドライブシステムは、統合された電気モータによって駆動される電気−機械アクチュエータを用いて独立に制御可能であり、前記モータのトルクおよび速度はモータドライブコントローラによって制御され、前記アクチュエータの位置は、電子回転整流子を介して監視される前記モータの回転位置および回転数を介して制御され、前記コントローラは、モータの前記回転数をカウントするために前記整流子からの出力を使用し、次いで、前記電気−機械アクチュエータの動きの位置、速度、および加速度成分を維持することが可能な閉ループ制御システムを形成するために前記アクチュエータの軸方向位置を算出し、その結果、個別のポンプの協調的始動が無パルス出力圧力プロファイルをもたらす、請求項１に記載のシステム。
【国際調査報告】
2019526742.tif 000014
2019526742.tif 000015